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美研制更坚韧的仿生水泥,有望替代传统水泥
严重的地震、飓风等自然灾害可造成建筑物的倒塌,其主要原因是,建筑水泥的抗损伤能力不够。近期,美国研发出一种仿生水泥,比普通水泥的抗损伤能力高出5倍。
美国普林斯顿大学(Princeton University)土木与环境系研究人员受人体皮质骨结构的启发,开发了一种仿生水泥材料,比传统水泥更不容易出现裂缝或突然失效,其抗损伤能力是标准水泥材料的5.6倍。
皮质骨(cortical bone),又称密质骨(compact bone),是形成骨骼的两种骨组织之一。皮质骨提供骨骼的一些主要功能,例如支撑身体、保护器官以及释放以钙为主的化学成分。皮质骨形成了大多数骨头的皮质,同时也比松质骨(cancellous bone)更为紧密坚硬。人体骨骼有80%重量是皮质骨。
皮质骨拥有致密外壳可提供强度抵抗骨折,它由致密的管状骨组成,内部含有多个管状小孔,下方则有大量互连接的网络通道。
2023年5月乌克兰西部城市利沃夫第一所使用混凝土3D列印建造的学校。(Yuriy Dyachyshyn/AFP,文章配图,与本文内容无关)
研究人员发现,皮质骨虽然有脆弱的地方让裂纹快速扩展,但它可以通过内外机制(大量网络通道)表现出优异的断裂韧性,还能防止(干涉)骨头的裂缝出现进一步扩展(裂缝延迟扩展)。
利用这一结构原理,他们利用混合3D列印和铸造方法制作出了类皮质骨的仿生水泥。
他们在水泥浆中加入了圆柱形和椭圆形的管(孔隙率40%),使其与扩散的裂缝相互作用,然后进行压力和拉力测试。结果显示,有椭圆形和圆形孔洞的水泥的断裂韧性,比普通水泥高出3.1倍和5.6倍,远超过去在水泥中掺杂纤维、砂浆和韧性膏体的性能。
除此之外,研究人员找到一种量化无序的新方法,可以用于量化无序的建筑材料,以便了解影响材质的应力、脆性和延展性的主要原因,并从中开发更多、更好的新型材料,以增强建筑的性能,解决传统材料存在断裂韧性不足的问题。
普林斯顿大学土木与环境系副教授雷萨‧莫伊尼(Reza Moini)对该校的新闻室表示,“人们预计使用空心管时,材料的抗裂能力会降低,但我们了解到通过利用管的几何形状、尺寸、形状和方向,可以促进裂纹与管的相互作用,且在不牺牲另一种特性的情况下增强另一种特性。”
莫伊尼接着说,“我们透过断裂力学、统计力学的原理,达到改善材料的基本性能,同时透过统计学将不规则材料或扰动进行量化,让原本无序的材料变得可以客制化。这种客制化帮助我们更方便对材料进行设计,并将其用于制造民用基础设施上。”
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